跨大气层飞行轨迹优化与制导技术

本书系统总结了国内外学者（包含作者）在该领域的成果，从跨大气层飞行器的动力学建模出发，对垂直起飞垂直降落的重复使用运载火箭、垂直起飞水平着陆和水平起飞水平着陆的跨大气层飞行器的轨迹优化和制导技术进行归纳和系统性的梳理，并针对其中重要的内容给出了应用实例，是一本理论高度概括并广泛适用于指导工程实践的专著。
本书内容全面，可为从事跨大气层飞行器总体设计、轨迹优化和制导设计等的科研人员和工程技术人员提供参考，也可作为轨迹优化与制导专业学生的辅导用书。

长期从事运载火箭、天地往返飞行器和空天飞行器总体设计及弹道与制导设计的创新研究和工程实践

序
人类自古以来就对浩瀚的太空充满好奇与幻想，孙悟空一个筋斗云十万八千里，嫦娥吃下灵药便能奔赴皓月，这些神话色彩浓郁的故事是古人对太空最初的幻想。万户坐在绑着47支火箭的飞车上，手持两个大风筝飞行成为有记载的第一个飞天的人，也由于火箭爆炸而为人类的航天事业献出了生命，但这激励了后来的科学家们在进入太空的征途上不断探索。
近年来，随着航天运输领域的快速发展，自由进出空间的跨大气层飞行器越来越受到重视。跨大气层飞行器在自身携带的动力系统作用下由地面起飞，飞出稠密大气层后进入太空，并根据需要再次穿越稠密大气层返回地面回收。跨大气层飞行器可以是基于传统火箭构型的重复使用火箭一级和二级，也可以是基于火箭动力的垂直起飞水平着陆的跨大气层飞行器，还可以是基于一些新型动力模式的水平起飞水平着陆的跨大气层飞行器。
跨大气层飞行器研究涉及许多领域与学科，是诸多先进技术的集合。轨迹优化与制导技术是跨大气层飞行器研制需突破的核心关键技术之一。对于重复使用火箭来说，SpaceX公司曾用一个生动的例子来比喻：“在陆地平台回收，就如同扔一根铅笔飞过帝国大厦楼顶（高约443m），然后让其在暴风雨中返回并落在一个鞋盒上；而对于海上平台回收而言，就如同让铅笔飞过帝国大厦楼顶后，精确地降落在一块漂浮不定的橡皮上面，而且不能翻倒。”对于无动力再入返回跨大气层飞行器来说，再入是最复杂、最关键的飞行阶段，需要考虑各种物理约束，通过轨迹优化和制导来精确分配并调控再入过程中动能、势能和热能，在回收前巧妙地消耗掉再入前99%的能量，进场并高精度着陆。而基于新型动力的跨大气层飞行器，与无动力再入返回升力式飞行器相比，其垂直起飞段还面临调节变量多，攻角侧滑角的快速变化易引发发动机的喘振、造成发动机结构损坏或者发动机熄火等问题。由此可见，跨大气层飞行器的轨迹优化与制导面临着巨大的挑战，迫切需要进行系统性的研究与探索。
本书系统总结了作者和国内外学者在该领域的成果，从跨大气层飞行的动力学建模出发，对不同起飞和着陆模式的跨大气层飞行器的轨迹优化和制导技术进行归纳和系统性的梳理，并针对其中重要的内容给出了应用实例，是一本学术水平较高，并可对工程实践具有重要指导价值的专著。
本书内容全面，可为从事跨大气层飞行器总体设计、轨迹优化和制导设计等的科研人员和工程技术人员提供参考，也可作为轨迹优化与制导专业学生的辅导用书。

2023年8月